Direct Numerical Simulation of Very-Large-Scale Motions in Turbulent Pipe Flow

Die turbulente Rohrströmung ist nicht nur von großer Bedeutung für Anwendungen im Ingenieurbereich, sondern auch für die Grundlagenforschung von wandnaher Turbulenz. In der vorliegenden Arbeit wird die Interaktion sogenannter turbulenter Superstrukturen (engl.: very-large-scale motions, VLSMs) mit der kleinskaligen Wandturbulenz auf Basis der Methode der direkten numerischen Simulation untersucht. Dabei werden Schubspannungs-Reynoldszahlen bis Ret = 2880 und Rohrlängen bis L = 42R berücksichtigt. Es wird das Konvergenz- und Skalierungsverhalten verschiedener statistischer Momente der Geschwindigkeitsverteilung untersucht und in Bezug auf VLSMs diskutiert. Die folgende Analyse der axialen Energietransportgleichung des gefilterten Geschwindigkeitsfeldes legt offen, dass VLSMs Energie von der mittleren Strömung zugeführt bekommen, ähnlich den kleinskaligen Strukturen durch den turbulenten Produktionsmechanismus. Die verschiedenen Terme der Energiebilanz werden sowohl anhand von mittleren Profilen, als auch instantanen Strömungsvisualisierungen und drei-dimensionalen Korrelationen diskutiert, wobei auch auf das Phänomen der inversen turbulenten Energiekaskade eingegangen wird. Die Forschungsarbeit gewährt dabei neue Einblicke in die Interaktion der VLSMs mit dem turbulenten Wandzyklus und trägt zum besseren Verständnis der turbulenten Rohrströmung bei. Turbulent pipe flow is not only of importance to engineering applications but also of fundamental interest to the study of wall-bounded turbulence. In the present work, the interaction of the so-called very-large-scale motions (VLSMs) with the near-wall, small-scale turbulence is explored by means of direct numerical simulation for friction Reynolds numbers up to Ret = 2880 and pipe lengths up to L = 42R. Besides, the convergence and the scaling of different order moments of the velocity distribution are studied and also discussed with regard to VLSMs. The subsequent analysis of the streamwise energy budget equation of th